Materyèl ak karakteristik nan substrats seramik

Avèk pwogrè ak devlopman nan teknoloji, aktyèl la opere, tanperati k ap travay ak frekans nan aparèy yo te piti piti ap resevwa pi wo. Yo nan lòd yo satisfè fyabilite a nan aparèy ak sikui, pi wo kondisyon yo te mete devan pou transpòtè chip. Substrats seramik yo lajman itilize nan jaden sa yo paske yo te ekselan pwopriyete tèmik yo, pwopriyete mikwo ond, pwopriyete mekanik ak fyab segondè.

Kounye a, materyèl prensipal seramik yo itilize nan substrats seramik yo se: alumina (Al2O3), aliminyòm nitride (ALN), Silisyòm nitrid (SI3N4), Silisyòm carbure (sik) ak oksid beryilyòm (BEO).

Mawon _	Pite	konduktiviti tèmik (W/km)	relatif elektrik konstan	entansite jaden deranje (kV/mm^(-1))	kout kome s
al2O3	99%	29	9.7	10	pi bon pèfòmans pri, Anpil aplikasyon pi laj
aln	99%	150	8.9	15	Pi wo pèfòmans, men pi wo
pri beo	99%	310	6.4	10	poud ak trè toksik, limit yo sèvi ak
si3n4	99%	106	9.4	100	optimal pèfòmans an jeneral
Sic	99%	270	40	0.7	sèlman anfòm pou aplikasyon pou ba-frekans

Ann wè karakteristik yo kout nan sa yo 5 seramik avanse pou substrats jan sa a:

1. ALUMINA (AL2O3)

Al2O3 omojèn polikristal ka rive jwenn plis pase 10 kalite, ak kalite yo kristal prensipal yo jan sa a: α-AL2O3, β-al2O3, γ-al2O3 ak ZTA-AL2O3. Pami yo, α-AL2O3 gen aktivite ki pi ba a ak se pi estab la nan mitan kat fòm yo kristal prensipal yo, ak selil inite li yo se yon rhombohedron pwenti, ki fè pati sistèm nan kristal egzagonal. α-al2O3 estrikti se sere, estrikti korundum, ka egziste stably nan tout tanperati; Lè tanperati a rive nan 1000 ~ 1600 ° C, lòt varyant pral irevèrsibl transfòme nan α-al2O3.

Figi 1: kristal microstruture nan Al2O3 anba SEM

Avèk ogmantasyon nan fraksyon mas Al2O3 ak diminye nan fraksyon nan mas faz ki koresponn lan, konduktiviti tèmik nan seramik Al2O3 leve rapidman, epi lè fraksyon nan mas Al2O3 rive nan 99%, se konduktiviti tèmik li yo double konpare ak ki lè fraksyon nan mas se 90%.

Malgre ke ogmante fraksyon nan mas nan AL2O3 ka amelyore pèfòmans an jeneral nan seramik, li tou ogmante tanperati a sinterizasyon nan seramik, ki endirèkteman mennen nan yon ogmantasyon nan depans pwodiksyon an.

2. Aliminyòm nitrid (ALN)

ALN se yon kalite gwoup ⅲ-V konpoze ak estrikti Wurtzite. Selil inite li a se aln4 tetraedron, ki fè pati sistèm kristal egzagonal e li gen bon kosyon kovalan, kidonk li gen ekselan pwopriyete mekanik ak gwo fòs koube. Teyorikman, dansite kristal li yo se 3.2611g/cm3, kidonk li gen gwo konduktiviti tèmik, ak kristal la pi bon kalite gen yon konduktiviti tèmik nan 320W/(M · K) nan tanperati chanm, ak konduktiviti tèmik nan cho-bourade Aln la te tire Substrate ka rive jwenn 150W/(M · K), ki se plis pase 5 fwa sa yo ki an Al2O3. Koyefisyan ekspansyon tèmik la se 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃, ki byen matche ak koyefisyan ekspansyon tèmik nan materyèl chip semi-conducteurs tankou SI, SiC ak GaAs.

Figi 2: Poud nan nitride aliminyòm

Seramik ALN gen pi wo konduktiviti tèmik pase Al2O3 seramik, ki piti piti ranplase Al2O3 seramik nan gwo pouvwa elektwonik pouvwa ak lòt aparèy ki mande segondè kondiksyon chalè, e li gen kandida aplikasyon gwo. Seramik ALN yo konsidere tou kòm materyèl la pi pito pou fenèt la livrezon enèji nan pouvwa vakyòm aparèy elektwonik akòz ki ba segondè koyefisyan emisyon elèktron yo.

3. Silisyòm nitrid (Si3N4)

SI3N4 se yon konpoze kovalans estokaj ak twa estrikti kristal: α-Si3N4, β-Si3N4, ak γ-Si3N4. Pami yo, α-Si3N4 ak β-Si3N4 yo se fòm yo kristal ki pi komen, ak estrikti egzagonal. Konduktivite tèmik nan yon sèl kristal Si3N4 ka rive jwenn 400W/(M · K). Sepandan, akòz transfè chalè fonon li yo, gen domaj lasi tankou pòs vid ak debwatman nan lasi aktyèl la, ak enpurte lakòz fonon fon pou ogmante, se konsa konduktiviti tèmik nan seramik yo revoke aktyèl se sèlman sou 20W/(M · K) . Pa optimize pwosesis la pwopòsyon ak sinterizasyon, konduktiviti tèmik la te rive 106W/(M · K). Koyefisyan ekspansyon tèmik nan Si3N4 se sou 3.0 × 10-6/ c, ki se byen matche ak Si, sic ak GaAs materyèl, fè SI3N4 seramik yon atire materyèl substrate seramik pou segondè konduktivite tèmik aparèy elektwonik.

Figi 3: Poud nan Silisyòm nitrid

Pami substrats yo ki deja egziste seramik, SI3N4 substrats seramik yo konsidere yo dwe pi bon materyèl yo seramik ak pwopriyete ekselan tankou dite ki wo, segondè fòs mekanik, rezistans tanperati ki wo ak estabilite tèmik, ki ba dyelèktrik konstan ak pèt dielèktrik, rezistans mete ak rezistans korozyon. Kounye a, li favorize nan anbalaj modil IGBT ak piti piti ranplase AL2O3 ak ALN substrats seramik.

4.silicon carbure (sik)

Se yon sèl kristal sik li te ye kòm materyèl la semi -conducteurs twazyèm jenerasyon, ki gen avantaj ki genyen nan gwo diferans band, vòltaj pann segondè, segondè konduktiviti tèmik ak gwo vitès saturation elèktron.

Pa ajoute yon ti kantite lajan pou BEO ak B2O3 sik pou ogmante rezistivite li yo, ak Lè sa a, ajoute aditif yo ki koresponn ak aditif nan tanperati a pi wo a 1900 ℃ lè l sèvi avèk cho peze SINTERING, ou ka prepare dansite a nan plis pase 98% nan seramik SiC. Konduktivite tèmik nan seramik SiC ak diferan pite prepare pa diferan metòd sinterizasyon ak aditif se 100 ~ 490W/(M · K) nan tanperati chanm. Paske konstan nan dyelèktrik nan seramik SiC se gwo anpil, li se sèlman apwopriye pou aplikasyon pou ba-frekans, epi li pa apwopriye pou aplikasyon pou wo-frekans.

5. Beryllia (BEO)

BEO a se estrikti wurtzite ak selil la se sistèm kristal kib. Konductivite tèmik li yo trè wo, Beo mas fraksyon nan 99% seramik BEO, nan tanperati chanm, konduktiviti tèmik li yo (tèmik konduktivite) ka rive jwenn 310W/(M · K), sou 10 fwa konduktiviti tèmik nan menm pite Al2O3 seramik yo. Se pa sèlman gen yon kapasite transfè chalè trè wo, men tou, gen ki ba dyelèktrik konstan ak pèt dielèktrik ak izolasyon segondè, epi pwopriyete mekanik, seramik BEO yo se materyèl la pi pito nan aplikasyon an nan aparèy segondè-pouvwa ak sikwi ki mande segondè konduktiviti tèmik.

Figi 5: estrikti kristal nan beryllia

Segondè konduktiviti tèmik ak karakteristik ki ba pèt nan BEO yo, se pou lwen depaman pa lòt materyèl seramik, men BEO gen enpèfeksyon trè evidan, ak poud li yo se trè toksik.

Kounye a, souvan itilize seramik materyèl yo substrate nan Lachin yo se sitou AL2O3, ALN ak SI3N4. Substrate a seramik ki fèt pa teknoloji LTCC ka entegre konpozan pasif tankou rezistans, kondansateur ak endukteur nan estrikti a ki genyen twa dimansyon. Kontrèman a entegrasyon an nan semi-kondiktè yo, ki se prensipalman aparèy aktif, LTCC gen gwo dansite 3D entèrkonèkte kapasite fil elektrik.